本发明专利技术公开了一种偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器，包括硅衬底和设置在硅衬底上的第一NMOS管和第二NMOS管；两个NMOS管的栅极分别与各自的漏极连接；第一NMOS管漏极连接电源；第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极，第二NMOS管的源极接地；第一NMOS管和第二NMOS管相同，两者的栅极长度均为1.28～128.25μm，作为偶极子天线使用。该太赫兹探测器在标准CMOS工艺下，将NMOS管的栅极作为探测器的偶极子天线结构，实现了天线和温度传感器集成，减小芯片面积，节约成本。
Terahertz detector integrated with dipole antenna and NMOS temperature sensor
The invention discloses a terahertz detector dipole antenna and NMOS temperature sensor integration, including silicon substrate and silicon substrate is arranged in the first second NMOS tube and NMOS tube; two NMOS pipes respectively connected with the respective pole gate leakage; the drain is connected to power supply of the first NMOS tube; first NMOS tube source connection the drain of the second NMOS tube, second NMOS tube source ground; the first second NMOS tube and NMOS tube, the gate length is 1.28 ~ 128.25 m, used as a dipole antenna. Under the standard CMOS process, the detector of the NMOS tube is used as the dipole antenna structure of the detector to realize the integration of the antenna and the temperature sensor, thereby reducing the chip area and saving the cost.
【技术实现步骤摘要】
偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器
本专利技术涉及半导体电磁波探测领域，特别是涉及一种偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器。
技术介绍
太赫兹波是指一种介于毫米波段与红外波段之间的电磁波，太赫兹频段被定义到0.3THz到30THz之间(波长为1mm～10μm)，属于电子学和光学的交界区域。太赫兹波相较于x射线能量更低，相比于可见光穿透性更好，这些特性使得太赫兹成像在安全监测、医疗卫生方面有巨大的发展前景。太赫兹探测器的种类有很多，例如天线耦合的FET(FieldEffectTransistor)自混合探测器，天线耦合的肖特基二极管探测器，异质结探测器和天线耦合的太赫兹热探测器等。这些探测器都有着相同的特点：均是由探测天线和感知器件进行耦合的，并且两个部分是相互独立的。现在太赫兹热探测所使用到的温度传感部分大多采用的是PTAT(proportionaltoabsolutetemperature)电路或者是三极管等温度传感器件，但是PTAT电路很复杂，所需要的器件数量较多，占据了较大的芯片面积，造成了成本上的增加；三极管、二极管等器件在CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)工艺下相对NMOS管占据的面积更大。另一方面，传感器采用MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)技术，相比较于CMOS工艺需要的工艺难度和成本也是大大增加。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器，其在标准CMOS工艺下，将NMOS管的栅极作为探测器的偶极子天线结构，实现了天线和温度传感器集成，减小芯片面积，节约成本。为此，本专利技术的技术方案如下：一种偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器，包括硅衬底和设置在所述硅衬底上的第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管的栅极与其漏极连接；所述第二NMOS管的栅极与其漏极连接；所述第一NMOS管漏极连接电源；所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极，所述第二NMOS管的源极接地；所述第一NMOS管和第二NMOS管相同，两者的栅极长度均为1.28～128.25μm，作为偶极子天线使用。进一步，所述硅衬底由多晶硅电阻利用CMOS标准工艺制成。进一步，所述第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极之间的距离为0.24～5μm。进一步，所述第一、第二NMOS管的栅极宽为0.24～10μm。该偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器有以下优点：1)成本降低。相比较于其他类型的太赫兹温度传感器，NMOS可以采用CMOS工艺实现，而其他类型的温度传感器或者采用更加复杂的工艺或者是更加复杂的电路实现，并且一体化探测器所占用的芯片面积远远小于其他类型的温度传感器，使得整个探测器的成本大大降低并且易于实现。2)不影响天线和NMOS器件单独工作。将NMOS管的栅极作为探测天线可以实现天线和温度传感器的一体化，温度传感器可以在很短的距离内感应到温度的变化，并且不会影响到NMOS在电路中的作用。3)使用多晶硅作为天线，免去了在电路中串联电阻的步骤。因为多晶硅本身就有一定的阻抗，当作为天线使用时，就相当于一个理想的天线和一个电阻串联，省去了在设计时增加一个电阻的麻烦，节省了芯片的面积。4)偶极子天线采用了两个NMOS管串联的方式，使得温度探测的能力相对于单个NMOS管大大增强，温度探测器灵敏度更高。附图说明图1为偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器的原理图；图2为NMOS太赫兹热探测器电路示意图；图3为NMOS太赫兹热探测器版图示意图；图4为NMOS太赫兹热探测器输出电压——温度图像；图5为实施例1中2.66THz偶极子天线S参数图像；图6为实施例2中29.6THz偶极子天线S参数图像。图7为实施例3中16.3THz偶极子天线S参数图像。具体实施方式偶极子天线是由两根四分之一波长长度的竖直天线组成，总长度为半波长，也称为半波振子。由于在CMOS标准工艺下，本设计采用的是将NMOS管的栅极作为天线，因为栅极的材料是多晶硅，多晶硅本身具有一定的阻抗，避免了整个天线阻抗匹配的问题。整个太赫兹探测器的工作原理如图1所示：①②③表示的是不同频率的太赫兹波，太赫兹波在空间中传递到探测器上的天线时，由于每根天线的长度和都会和波长的四分之一相匹配，天线就可以作为一个良好的载体吸收太赫兹波，进而在多晶硅偶极子天线上产生热量，实现电磁能到热能的转换。NMOS管感应到多晶硅偶极子天线的温度变化，输出感应温度变化而产生相应变化的电压值。这个过程完成了由热能到电能的转化，从而实现了温度探测的功能。太赫兹探测器的电路结构如图2所示，NMOS管的栅极和漏极短接，形成二极管式的连接方式，在此种连接方式下，VGS-VTH＜VDS，NMOS管一直工作在饱和状态，此时NMOS器件的漏极饱和电流大小如式(1)所示：根据公式(1)，我们可以得出电路图中的输出电压，也就是VGS的大小为：式中ID表示的是NMOS管的漏极电压，W和L分别表示NMOS的沟道宽度和沟道长度，μn表示的是电子的迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容，VGS指的是栅源电压，VT表示的是阈值电压。偶极子天线的长度在理想的情况下可以由公式(3)进行计算得出：其中，c＝3×108，表示的是光速；ν表示的是太赫兹频率；h表示的是偶极子天线单根天线的长度，此时h为真空中的天线长度；h1表示在二氧化硅介质中的天线长度，ε表示的是在二氧化硅的相对介电常数，在这里取平均值3.8。在二氧化硅介质中的天线长度即指代的是本申请NMOS管栅极的长度。在整个的太赫兹频段，偶极子天线单根天线(即NMOS管栅极)的长度在1.28um～～128.25um的范围内。由于本申请基于CMOS工艺，在天线的制作过程中，天线基于硅衬底并且周围充满着二氧化硅介质，受了不同材料的影响，导致天线的尺寸在太赫兹频段范围内不能精确到每一个频点。在本探测器中，采用恒定电流源，也就是说漏极电流是一个恒定的数值，可以得知输出电压主要和阈值电压之间存在着数学关系，而阈值电压是受到温度影响的，这表明在理论上NMOS的输出电压与温度之间是存在着对应关系的。根据具体的仿真结果如图5所示，在给定的沟道宽长比下，NMOS的输出电压和温度之间是线性关系。图5中横坐标表示的环境温度的变化，纵坐标是输出电压也就是栅源电压VGS的变化数值，是在NMOS管在沟道长度L＝250nm，沟道宽度W＝250nm，插指数为1时得到的图像，此时的电压为0.8v，电流源的大小为2uA。根据图5可以得知，偶极子天线NMOS探测器的输出电压每摄氏度的变化为1.36mv左右。以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行详细描述。实施例1一种偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器，包括硅衬底和设置在硅衬底1上的第一NMOS管2和第二NMOS管3；在2.66THz的频率下，根据公式(3)和公式(4)可得对应偶极子天线的臂长(即第一、二NMOS管的栅极长度)为14.5um。经仿真后，两个天线之间的距离(第一、二NMOS管的栅极间距)为1um，各个天线(第一、二NMO本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器，其特征在于：包括硅衬底(1)和设置在所述硅衬底(1)上的第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)；所述第一NMOS管(2)的栅极(201)与其漏极(202)连接；所述第二NMOS管(3)的栅极(301)与其漏极(302)连接；所述第一NMOS管(2)漏极(202)连接电源(204)；所述第一NMOS管(2)的源极(203)连接第二NMOS管(3)的漏极，所述第二NMOS管(3)的源极(303)接地；所述第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)相同，其栅极作为偶极子天线使用，所述第一、第二NMOS管的栅极(201，301)长度为1.28～128.25μm。
【技术特征摘要】
1.一种偶极子天线与NMOS温度传感器一体化的太赫兹探测器，其特征在于：包括硅衬底(1)和设置在所述硅衬底(1)上的第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)；所述第一NMOS管(2)的栅极(201)与其漏极(202)连接；所述第二NMOS管(3)的栅极(301)与其漏极(302)连接；所述第一NMOS管(2)漏极(202)连接电源(204)；所述第一NMOS管(2)的源极(203)连接第二NMOS管(3)的漏极，所述第二NMOS管(3)的源极(303)接地；所述第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)相同，其栅极作为偶极子天线使用，所述第一、第二NMOS管的栅极(201，301)长度为1.28～128.25μm。2.如权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈霏，李子蒙，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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